一種簡易電梯教學模型制作*

潘 斌，殷 勤，張莉瓊

（1.中山職業(yè)技術學院，廣東中山 528404）；2.中山火炬職業(yè)技術學院，廣東中山 528436）

0 前言

電梯是大型機電一體化產品，系統(tǒng)結構龐大而分散，且封閉使用，從外部難以全面了解電梯的結構及其工作原理；在教學和培訓過程中，學生不能全面了解電梯的結構，也不能綜觀電梯運行的全過程。同時，電梯的井道深而大，很多器件安裝在井道里，實習起來不方便，也不安全。仿真電梯是按電梯實際比例縮小的功能齊全的物理電梯模型，可綜觀電梯運行的全過程及所有器件的安裝位置[1-3]。但目前市場上仿真電梯產品如DT-2000 型透明仿真教學電梯、KY-2003 型透明仿真教學電梯等只能用于展示電梯結構與功能，設置一些常見故障。對電梯各個環(huán)節(jié)的具體控制理解因電梯相互關聯(lián)較多、復雜，學生很難對PLC程序進行掌握。本文根據(jù)具體的教學需要研制簡易教學電梯模型更有利于教研和教學的開展。模型制作完畢后用于實踐教學，所有環(huán)節(jié)可較好地由學生自主練習完成，從而達到對PLC控制電梯各環(huán)節(jié)掌握和設計水平的提高。

1 模型總體方案設計

本模型用于教學用，在設計時考慮以下原則：（1）注重模型學生使用時用電安全，電氣設計部分主要采用直流24 V供電；（2）為方便學生循序漸進理解，忽略電梯繁雜設計環(huán)節(jié)，重點放在關鍵功能設計和實踐；（3）各環(huán)節(jié)采用模塊設計，方便以后擴展，設計各環(huán)節(jié)之間相互連動且不致沖突。

本電梯模型為五層五站直流驅動電梯模型，作品如圖1 所示。其主要功能有：（1）具有七段碼轎廂位置顯示、廳門轎廂到站樓層指示燈；（2）上下行直駛，循環(huán)上下運行模型；（3）轎廂蹲底沖頂保護模擬——即上端站和下端站保護；（4）轎廂內指令選層：能根據(jù)轎箱樓層位置及目的樓層位置比較自動確定電梯運行方向，并運行到目的樓層后自動平層，消號；（5）PLC編程現(xiàn)場檢驗模擬。

圖1 電梯教學模型

2 模型硬件設計

此模型涉及硬件設計制作較多。主要步驟是利用計算機繪圖功能將電梯零部件尺寸，轎廂、對重長寬確定，然后繪制導軌底寬和高度，確定導靴內凹尺寸，出圖送金工實訓室進行加工。

曵引輪尺寸的確定，根據(jù)導軌的總長度和轎廂的高，根據(jù)模型電梯速度的設定可以算出曵引輪所需直徑。主要部件設計如下。

（1）曳引輪及導向輪設計及安裝

根據(jù)模型要求，曳引輪及導向輪按以下尺寸設計，如圖2 所示，并在學院金工實訓室完成制作，模型所需兩個導向輪和一個曳引輪，并按圖3要求安裝。

圖2 導向輪與曵引輪設計

（2）轎箱與對重的設計

轎箱與對重按以下尺寸設計，如圖4、圖5所示。為保證曳引力足夠牽引轎箱，盡量使對重和轎箱一樣重，為此可在對重箱添加適當沙子平衡兩者重量。

圖3 曳引輪及導向輪安裝要求

圖4 轎箱設計

圖5 對重設計

（3）轎箱和微動開關的定位

為保證轎箱在井道導軌上下運行時正確顯示轎箱的位置，必須在井道適當位置安裝1～5層的微動開關以及上、下限位開關。安裝位置按圖6定位。另外為使微動開關可靠工作，須把開關與導軌固定在一起，固定板的尺寸設計按圖7 設計，并在金工實訓室與導軌牢固焊在一起。

圖6 轎箱與微動開關的定位

圖7 微動開關固定板尺寸

（4）電機與PLC類型的選用

為保證電機有足夠的曳引力，選購帶行星齒輪減速的直流24 V小電機，另外PLC選擇根據(jù)控制信號（計算輸入輸出點數(shù)）選擇目前廣泛使用的三菱FX2N－64MR系列PLC。

3 PLC設計

3.1 I/O點數(shù)分配

根據(jù)簡易電梯模型主要功能分析：輸入信號主要有1～5層換速開關，1～5樓內指令登記開關，直行上下開關，循環(huán)開關，上下端站限位開關；輸出信號主要有七段碼顯示，1～5層轎箱位置顯示燈，1～5樓內指令登記顯示燈，電機上下行接觸器及顯示箭頭燈，循環(huán)及上下直行顯示燈、PLC復位指示燈。具體如表1所示。

表1 簡易電梯教學模型PLC控制系統(tǒng)的I/O端口地址分配表

3.2 硬件連接

根據(jù)I/O地址分配表，可畫出PLC的外部接線示意圖，如圖8所示。

圖8 PLC與電機外部接線圖

3.3 梯形圖設計

電梯的操作要求：對單臺電梯，主要是完成選層定向、合理分配轎內指令的執(zhí)行和轎外呼喚的回答；對多臺電梯，除上述要求外，還要根據(jù)客流情況合理調配電梯，使乘客后梯和乘梯時間最短。對電梯運行的具體控制要求如下：①設有門鎖保護，轎廂門鎖上后自動啟動；②到達指定樓層，自動停層，自動開門；③延時自動關門，等候轎外呼喚；④響應順電梯行進方向上的轎外呼喚；⑤電梯到達頂層或底層時，自動停止并變換運行方向；⑥轎內指令和轎外呼喚自動登記并記憶，完成任務后自動消號；⑦門外和轎內有樓層顯示和運行方向顯示[4]。

確定控制要求后，另外考慮教學模型制作難度，把開關門環(huán)節(jié)及部分安全回路取消，為便于觀察，增加直駛上行環(huán)節(jié)、直駛下行環(huán)節(jié)及循環(huán)運行環(huán)節(jié)。因此，教師可以根據(jù)模型電梯的運行規(guī)律將電梯的功能劃分為不同的模塊，也就是采用模塊化的編程思想，其程序主要包括以下幾個模塊：①電梯的啟動復位及參數(shù)初始化程序：該段程序定義了模型電梯運行所需要的部分邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器的初始值；②呼叫記錄程序：自動記憶各種呼叫信號；③呼叫消除程序：當電梯某呼叫得到響應并完成后，自動消除順向呼叫信號；④樓層顯示程序：顯示轎廂目前所在樓層；⑤上、下運行程序：根據(jù)呼叫信號、內選信號、電梯方向與電梯位置，確定電梯是上行還是下行。

3.4 程序的完善和創(chuàng)新

而設計的電梯控制僅僅是基本功能的設計，若想用到實際生活中，還需要增加較多的功能。例如當層數(shù)增加時，該如何編寫梯形圖；用什么方法可以節(jié)約I／0點的個數(shù)；如何要求電梯只停偶數(shù)層或只停奇數(shù)層該如何編寫梯形圖；當電梯出現(xiàn)緊急情況時，該怎樣處理。此外還可以利用此套裝置進行二次開發(fā)研究。如：①群控電梯（統(tǒng)一調度多臺集中并列的電梯）；②并聯(lián)控制電梯（2-3 臺電梯的控制線路并聯(lián)，進行邏輯控制，共用層站外召喚按鈕）；③集選控制電梯；④信號控制電梯等等。

具體改進方案以樓層顯示環(huán)節(jié)為例，此環(huán)節(jié)輸入為1-5 層換速開關（X1-X5），輸出為七段碼顯示（Y0-Y6）。輸入與輸出關系見表2所示。

表2 簡易電梯教學模型轎廂位置與七段碼位置顯示邏輯關系

圖9 基本指令的樓層顯示梯形圖

根據(jù)表2 所示關系，可很方便的用基本指令編輯出梯形圖，如圖9 所示。學生容易理解及編程。但此種方法程序過長，為此改用功能指令MOV 及SEGD就比較簡單了，具體梯形圖見圖10。

圖10 功能指令的樓層顯示梯形圖

再以節(jié)約PLC的I／0點的個數(shù)為例（圖11），在傳統(tǒng)的電梯電路中，通常是用樓層感應器的信號來進行的方向控制。這樣井道中的每個樓層至少要裝一個感應器，如電梯樓層越多，則占用的PLC的輸入點數(shù)越多。由于PLC的編程功能十分豐富，所以可以利用上行換速和下行換速信號來進行樓層的方向控制，這樣只需要在轎廂側裝兩只感應器，便可實現(xiàn)電梯樓層的方向控制及減速信號的發(fā)出，既方便又節(jié)約成本。

圖11 節(jié)約PLC的I/O點數(shù)設計的梯形圖

設計時輸入信號只留下上、下端站信號（X5，X1），中間樓層不需要換速開關了，用X2，X3 代替轎箱上、下?lián)Q速感應開關。Y10、Y11 分別是上、下?lián)Q速開關。具體梯形圖見圖11所示。當電梯上行Y10 時，每當上換速感應開關X2 動作時，使M101 有一個周期的觸發(fā)，使寄存器D200 內數(shù)值增1。當電梯下行Y11 時，每當下?lián)Q速感應開關X3 動作時，使M102 有一個周期的觸發(fā)，使寄存器D200 內數(shù)值減1。當電梯上行到最高層，上端站開關X5動作時，使D200內數(shù)值強制為5（這里以5層為例）。當電梯下行到最低層，下端站開關X1動作時，使D200內數(shù)值強制為1。

這樣，D200內的實際數(shù)值就反映了電梯的實際樓層數(shù)值，利用解碼指令DECO對D200進行解碼，得出M501 吸和時為1 樓，M502 吸和時為2樓，M503 吸和時為3 樓，M504 吸和時為4 樓，M505 吸和時為5 樓；利用七段譯碼顯示指令SEGD對D200譯碼輸出到Y0—Y6。同時，電梯進行樓層方向控制時也給出了電梯的減速信號。

4 總結

具體應用時，在電腦上安裝相應系列的PLC應用軟件，電腦串行輸出口和PLC的通信口經(jīng)數(shù)據(jù)線連接起來；在電腦上編寫各個電梯控制模塊的梯形圖，如自動開關門控制模塊、轎廂內指令信號的登記與消除模塊、廳外召喚信號的登記記憶與消除指層電路控制模塊、指層控制模塊和定向選層模塊、檢修運行模塊和消防控制模塊等，分別將各個模塊梯形圖下載到PLC中運行調試；調試過程中可充分利用PLC軟件對電梯控制程序進行監(jiān)控和調試；在外圍線路有故障的情況下，可以利用強制某段PLC程序運行輸出的方法使電梯運行，以確定故障的具體位置；當各個模塊調試通過后，可將這些控制模塊集成為完整的控制程序，再運行調試，直至通過為止。

由于梯形圖比較長，所用軟觸點數(shù)比較多，難以記憶，因此可以在整個梯形圖中軟觸點和線圈符號上標注其相應的功能名稱，如樓層減速。這樣通過講解外圍線路、梯形圖等，學生對整個控制系統(tǒng)原理的理解和掌握就容易多了。在熟練地掌握了電梯基本控制線路、梯形圖的原理和故障的檢測方法后，可在電梯控制練習系統(tǒng)上進行更高層次的練習。如將原五層站的程序改為六層、七層站的程序；更改原程序的數(shù)據(jù)，如修改延時開、關門時問等。在變頻調速器上練習參數(shù)的設定和輸入方法，如設定上限頻率、下限頻率、加速時間、減速時間等，并可投入試運行。在電梯控制練習系統(tǒng)上進行以上練習，即使出錯，也不會損壞設備，很適合反復練習。

［1］趙瑾.PLC的三層樓電梯模擬控制在實驗教學中的應用［J］.時代教育，2011（5）：78-79.

［2］陳繼文，楊紅娟，李彥鳳，等.電梯控制技術實驗教學研究與探討［J］.山東建筑大學教育教學研究文集，2008（1）：217-218.

［3］殷勤，潘斌.PLC在電梯教學模型控制系統(tǒng)中的應用［J］.機電工程技術，2012（11）：49-52.

［4］焦宇敏.電梯運行過程的PLC控制技術［J］.機床電器，2011（3）：26-2.